RES-Q-Trace：用于多组份痕量气体中红外检测，基于移动CEAS的演示仪(2)

文章出处：如特安防人气：发表时间：2018-09-05 19:45:53

2.2.1 OA-CEAS测量单元

两个光学平台，都包含一个OA-CEAS测量单元装置。测量单元中，来自激光源的光，由双平面转向镜偶合，直接进入光学谐振腔。为离轴对准，最后的反射镜另外固定在平移台上。两个OA-CEAS的腔都包含两个高反射性反射镜，两高反射镜在抽空室中的特殊镜座(CRD Optics）上,相距32cm，产生一个468.4 MHz的自由光谱区(FSR)。腔反射镜有一个比0.9995更好的特定反射率，遍布在激光器总工作区,工作区:直径25.4 mm和一个曲率半径为1m（CRD Optics, Lompoc, CA, USA and LohnStar Optics, Escondido, CA, USA）。腔后面，一个离轴抛物面反射镜，聚焦透射光到一个热电冷却直流耦合光伏探测器（VIGO, Ozarow Mazowiecki, Poland, PVI-4TE)。此外，在由一个快2通道波形数字化卡（Alazar Technologies, Pointe-Claire, QC, Canada, ATS330, 50 MS/s, 12 bit）记录前，利用一个具有可变增益的100MHz宽频带电压放大器（Femto, Berlin, Germany, DHPVA-100），来增强探测器信号。
由高速任意函数发生器板(Tabor Electronics, Irvine, CA, USA, 5300, 125 MS/s)为每一个激光器产生1kHz锯齿函数, 运用锯齿函数以0.1–0.3 cm-1扫描激光。对一个更有效腔频率平均值，1 MHz的正弦曲线调制频率，附加在锯齿函数上，产生一种改进的谐振腔激发过程，进入一个平滑基线。两个任意函数发生器板，由触发信号来同步。利用2通道波形数字转换器卡，触发信号也用来触发模拟探测器信号的收集。

在腔前两个转向镜之间，临时插入一个锗标准具(FSR 1458 MHz)，进行相关的频率校准。在已知线位的腔内通过分子吸收测量，来实现绝对频率校准。

2.2.2 OF-CEAS测量单元

对于，需求高敏性的测量，一个OF-CEAS测量单元应用在每一光学平台，请查看图3a,b。激光器的光，通过两个平面转向镜直接进入光学谐振腔，谐振腔最后反射镜固定在一个压电式换能器上(PZT; Physik Instrumente, Karlsruhe, Germany, E-505.00)，来较好的控制反馈相位。两个OF-CEAS测量单元由带有BaF2窗口密封的铝盒组成，BaF2窗口倾向光轴，来减少反射回归激光器。在一个盒内，一个V型腔(V型腔每一腔臂长40 cm)，由3个高反射镜构造。这相对于一个自由光谱区(FSR)，相对于一个光谱取样分辨率187.5 MHz (0.00625 cm-1)。腔反射镜有一个指定的反射率，好于在激光器整个工作区上的0.9995，工作区直径25.4mm、曲线半径1m(CRD Optics, Lompoc, CA, USA and LohnStar Optics, Escondido, CA, USA)。激光器到腔的距离，设定与每一腔臂长相等，保持了激光反馈场同相条件。所以，为精确调整距离，激光源固定在平移台。借助转向镜前的孔径光阑，来控制到激光器的光反馈率。光离开OF-CEAS测量单元，集中于直流耦合热电冷却光伏探测器(neoplas control, Greifswald, Germany, IRDM-DCA)。

通过运用一个锯齿函数，进行激光扫描，波数0.3–0.53 cm-1，频率在20和50 kHz之间，频率由一个数据采集卡(DAQ; National Instruments PCI-6221, 740 kS/s, 16 bit)提供。发射信号由相同的DAQ记录。在当前驱动输入前，采用一个663 kHz 3dB频率的低通滤波器，来压制由DAQ卡带来的额外数字噪音。另外，在DAQ卡和当前驱动器之间的一个分压器，为驱动激光器提供DAQ卡的最大数字分辨率。
要维持激光器自锁于腔共振，必须灵活地控制光反馈相位。要做到这一点，借助于上面提到的PZT驱动的腔前转向镜，连续地控制激光器与腔室之间的距离。只要理想的相位条件不满足，腔模的发射信号就呈现不对称，因为激光锁到一个频率范围，不能集中到腔共振峰。所以，一个错误信号产生，与相位错误相称，相位错误基于每一可记录扫描中的腔模正中对称。使用一个LabVIEW程序语言(National Instruments, Austin, TX, USA) 的例行程序，检测器信号首先逐条区分。随后的，在试验确定的水平，信号切割，结果值整合到全模式光谱。这种错误信号填入一个可编程的PID控制循环，PID控制循环提供机动性，便于以试验条件为基础适当地选P、I和D系数。PID控制循环的输出值，经一个慢的多函数DAQ板(National Instruments, Austin, TX, USA, PCI-6010)上一个数字-模似转换器，被测量，并转化到一个模拟电压，送入PZT控制器(Physik Instrumente, Karlsruhe, Germany, E-505.00)，来维持相锁一个反应时间, 反应时间等同于一个信号扫描的持续时间。图4中，显示，用于控制光反馈的软件例程设计图。